Puissance crête des panneaux solaires

L’énergie solaire
Sommaire
 Introduction









1- Structure générale
2 - Le générateur : le soleil
3 - Le principe de la conversion Solaire/Électrique
4 - Technologie des cellules photovoltaïque
5 - Association des panneaux : Groupement série et //
6- Stocker l’énergie : la batterie
7- Transférer/réguler l’énergie : le régulateur
8 - Transformer l’énergie électrique : les onduleurs
9 - Dimensionner une installation électrique autonome en site isolé (sur
batterie ): calcul de la puissance installée, dimensionnement des
batteries, ….
Introduction
 L’énergie solaire fait partie des énergies renouvelables, au
même titre que la géothermie, l’hydraulique, l’éolien, etc.…
 Découvert par le physicien français Antoine Becquerel en
1839, l’effet photovoltaïque n’avait à cette époque qu’un
rendement très faible. Il faut attendre 1954, pour que
Chapin, Fuller et Pearson s’intéressent à nouveau à ce
phénomène et mettent au point une cellule avec un
rendement de 6%.
 D’abord utilisée dans les engins spatiaux, l’énergie
photovoltaïque trouve aujourd’hui de multiples applications,
de l’alimentation de calculatrice, jusqu’à l’électrification de
villages entiers.
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1- Structure générale

Panneau solaire : Fournir l’énergie soit à la charge, soit à la batterie.
 Batterie : Stocker l’énergie et la restituer lorsque l’ensoleillement est
insuffisant.
 Régulateur : Réguler la charge et décharge de la batterie.
 Onduleur : Convertisseur Continu-Alternatif. Permet d’alimenter les
récepteurs en courant alternatif à partir du courant continu.
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2 - Le générateur : le soleil
diamètre 1,4.10 km
diamètre 12,8.10 km
Terre
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Son rayonnement
Nord
A
0
Rayonnement
solaire
h
A
B
Latitude
Terre
OB
sin( h)
OB est l' épaisseur de l' atmosphère  1
1
donc OA correspond à AM 
sin(h)
OB  OA sin( h)  OA 
Rayonnement
solaire
Sud
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Le rayonnement solaire
A
0
h
B
1
sin(h)
si h  90 (zénith à 0) AM  1
si h  45 (zenith à latitude 45) AM  1,414 (AM1,5)
si h  30 (zénith à lattitude 60) AM  2
AM 
Les caractéristiques des panneaux solaires sont données pour AM=1,5
Dans ces conditions, la puissance « solaire »ou irradiation est de 1000 W/m²
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Le rayonnement solaire
Le soleil se déplace dans un plan écliptique
par rapport à un observateur « fixe »
E
S
O
N
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Le rayonnement solaire
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Le rayonnement solaire
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Le rayonnement solaire
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Le rayonnement solaire
La hauteur du soleil est :
- variable dans la journée,
- dépendante de la latitude et de la saison.
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Graphe de la course du soleil
Trajectoire du soleil en fonction de la
latitude d’installation
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Rôle du rayonnement solaire dans la
production d’énergie photovoltaïque
Le transfert de puissance sera maximale si le rayonnement direct est à 90°
par rapport aux cellules
Inclinaison des cellules
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Variable suivant :
• Latitude,
• choix du type de
fonctionnement
(si fonctionnement
hiver prévoir de
relever les
panneaux)
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Le gisement solaire : irradiation
disponible
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Les 3 types de rayonnement solaire
Direct
Réfléchi
=
Albédo
Diffus
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Prévision de production d’énergie par
logiciel spécialisé
Pour une inclinaison
optimale des cellules
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/solradframe.php?en&europe
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Energie – Spectre solaire et
longueur d’onde
E
h.C

E  Energie (eV )
h  constante de Planck 6,626.10-34 J.s
C  3 ×108 m/s
  Longueur d' onde (m)
longueur d'onde (en mètres) = 300 / fréquence (en Mégahertz)
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Spectre solaire – longueur d’onde
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Spectre du rayonnement solaire
Hors atmosphère
Absorption par gaz :
(eau, Gaz carbonique, oxygène)
Absorption par Ozone
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3 - Le principe de la conversion
Solaire/Électrique
Le fonctionnement d’une cellule est assez simple. Il s’agit d’un
empilage de 4 couches :
- une électrode métallique,
-une couche de silicium positif,
-une couche de silicium négatif
-une grille métallique.
Les photons (particules de lumières) frappent la cellule, ils transfèrent
leur énergie aux électrons du silicium. Le silicium est traité (dopé) de
manière à ce que tous les électrons se dirigent dans le même sens,
vers la grille métallique du dessus, créant ainsi un courant électrique
continu dont l’intensité est fonction de l’ensoleillement.
Conversion lumière  électricité :
l’effet photovoltaïque
La cellule transforme directement l’énergie lumineuse ( photons ) en électricité
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Conversion lumière  électricité
Attention aux
indices de
réfraction
Energie
solaire
Absorbée
0,2 mm  Silicium cristallin
1 µm  Silicium amorphe
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Transmise
C’est celle qui est
transformée
On place un
dispositif
réfléchissant
derrière
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4 - Technologie des cellules
photovoltaïque
 Le module est composé de cellules mono ou poly
cristallines selon le principe suivant :
 Du Silicium à l’état brut est fondu pour créer un lingot.
Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé,
on obtient un mono - cristal. Quand le refroidissement est
forcé, on obtient une structure poly cristalline. Quand le
silicium est diffusé en couche mince sur un substrat
(verre), on l’appelle amorphe.
 Le lingot est découpé en tranches appelées Wafer qui
devient une cellule après divers traitement (dopage,
jonction p-n, couche anti reflet, pose de collecteurs avant
et arrière)
 Mises en série et encapsulées, les cellules constituent un
module PV.
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Vidéo process de fabrication
http://www.youtube.com/watch?v=bblvepa3GCg
Les technologies
Cellules au silicium cristallin
Cellules au silicium amorphe
Deux sous familles :
polycristallin
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monocristallin
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Rendement des cellules
Technologie
Rendement
typique
Mono-cristallin 12-16 %
Rendement maximum
obtenu en laboratoire
24%
Poly-cristallin
18,6 %
11-14 %
Couche mince 6-8 %
: amorphe
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12,7 %
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Les technologies
Cellules au silicium cristallin
polycristallin
monocristallin
Épaisseur : 0,15 -0,4 mm
Bon rapport/qualité prix
Cellules au silicium amorphe
Excellente qualité
Difficile à réaliser
Fine (qq µm)
Organisation imparfaite
Large
 Éclairage extérieur
1,2 nm
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Plus étroit
 éclairage Artificiel
0,8 nm
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Les technologies
Cellules au silicium cristallin
Cellules au silicium amorphe
Épaisseur : 0,15 -0,4 mm
Fine (qq µm)
Courant important tension faible
Rendement mono  12-16%
Rendement poly  11-14 %
Courant faible mais tension importante
Rendement de 6 à 8 %
Large gamme d’application (balise autoroute,
restitution, alimentation autonome…)
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Calculette, …
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Le futur : Le silicium noir

Ce sont des chercheurs de l’université de Harvard qui ont fait la découverte.
Lorsqu’une plaquette de silicium est éclairée et que simultanément cette
plaquette est en contact avec certains gaz halogènes, le silicium forme des
cônes qui piègent la lumière et donne à la plaquette une couleur noire. Cette
absorption permet ainsi d’obtenir un rendement plus élevé pour les cellules
photovoltaïques à base de silicium. Les rendements pourraient être d’au moins
30% et peut être même atteindre les 60%.
Il existe d’autres matériaux utilisés pour la réalisation de cellules photovoltaïques
comme l’Arséniure de Gallium qui possède un très haut rendement, entre 20% et
25%, mais son prix extrêmement élevé le rend marginal. Il n’est pratiquement
utilisé que pour les satellites.
Caractéristiques électriques
courant-tension
I (A)
Un essai en labo avec Température=25°C donne une irradiation de
1000 W/m² ( soit approximativement le rayonnement solaire à midi)
Pour un ensemble, on
donne la puissance
crête
Pm en Wc : c’est la
valeur de référence du
PV ( max power point).
P=U x I
Icc
Courant de
court-circuit
(Icc en A)
Pm
Uo
Tension de circuit ouvert (à
vide). La tension Vco est de
18 à 22 V pour un panneau de
12 V)
U (V)
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Association des modules
 La puissance nécessaire calculée donnera le nombre de modules
 La tension d ’alimentation donnera le type de raccordement de ces
modules.
 L ’association SERIE/PARALLELE des modules donne le CHAMP
PHOTOVOLTAÏQUE
Exemple : Une installation de 1000 Wc en 24 Volts aura un champ
photovoltaïque de 20 modules raccordés en 10 branches de 2 modules
si un module produit 50Wc sous 12V.
5 - Association des panneaux :
Groupement série et //
Un générateur
élémentaire
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Représente
cette fois-ci
un panneau
complet
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Groupement série //
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Groupement série et // : protection
des panneaux par diode
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Les différents types d’installation
photovoltaïque
Système dit au fils du soleil
 Peut être utilisé pour faire fonctionner un ventilateur ou une pompe.
 Il faut avoir une bonne adaptation des caractéristiques du générateur
et du récepteur afin d ’être toujours au plus près du point de
fonctionnement à puissance maximale.
Système avec stockage de l’énergie
 Permet un déphasage production/consommation (jour/nuit,
ensoleillement/temps couvert).
 Puissance élevée sur un temps court compatible avec le
système de production (même si Pc installée faible).
Système avec stockage de l’énergie et régulateur
Le régulateur assure 3 fonctions principales :
 Protection de la batterie :
 contre les charges excessives (1)
 contre les décharges profondes (2)
 Optimisation du régime de charge de la batterie
 Visualisation des seuils haut et bas et éventuellement gestion d ’alarmes
Le rôle du régulateur est essentiel pour la protection et la durée de vie de la
batterie, la sécurité du système et le rendement énergétique du générateur.
6- Stocker l’énergie : la batterie
La batterie sert de stockage de l’énergie électrique excédentaire produite par le ou
les panneaux solaires. Cette énergie est stockée sous forme chimique.
La nuit, c’est elle qui fournie l’énergie. Le stockage est dimensionné pour une durée
de plusieurs jours consécutifs sans soleil, permettant d’avoir une large plage de
secours, prenant ainsi en compte les phénomènes de durée de vie et de pertes de
capacité liée au cyclage ( charge et décharge ).
Une batterie ne doit jamais être laissée dans un état de décharge profond pendant
une longue période car une risque une détérioration rapide de sa capacité de
stockage.
Caractéristiques des batteries :
 * Le débit en courant d'un accumulateur se mesure en
ampère. On parle également de puissance pour le débit en
énergie (capacité à restituer un courant donné à une
tension donnée).

* La capacité électrique se mesure dans la pratique par
référence au temps de charge/décharge, en Ah (ampèreheure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle
(SI) est le coulomb.
1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278
mAh.
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 L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure mais
l'unité officielle (SI) est le joule.
1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 mWh.
 L'impédance interne, exprimée en ohm, impédance parasite qui limite
le courant de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en
transformant en chaleur par effet joule une partie de l'énergie restituée.
En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule composante
résistive pure.

* La densité massique est une des caractéristiques importantes
d'un accumulateur, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/kg) ou
d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse.
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Les types de batteries :
 Batterie Ni/Mh
Application : véhicule hybride La Toyota Prius et la Honda Civic IMA
équipées d’une batterie Panasonic (Matsushita) NiMH, de 1,5 kWh (39 kg) pour
la première et de 28 kg pour la seconde.
Ces batteries sont prévues pour durer toute la durée de vie du véhicule (garanties
8 ans).
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 Batterie Lithium Ion
1V /Élément
• Ne présente aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à
base de nickel
• pas de maintenance
• Présente une faible auto-décharge (10% / mois)
• Possède une haute densité d'énergie pour un poids très faible. Ces
accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes
embarqués.
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 Batterie Lithium Ion
3,7 V /Élément
• La profondeur de décharge : ces batteries s'usent moins vite
lorsqu'elles sont rechargées tous les 10% que lorsqu'elles le sont tous
les 80%
• Corrosion interne et augmentation de la résistance interne même sans
usage
• Courants de charge et de décharge admissibles plus faibles
• Électrolyte liquide peut présenter des dangers si une fuite se produit
et que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau.
• Cette technologie mal utilisée présente des dangers potentiels
• Pas d’inversion de polarité, pas de court-circuit
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Caractéristiques des batteries
 Au plomb/Acide
Tension nominale d’un élément : 2V
Utilisation pour des fortes capacités
Faible densité massique
Technologie plaque : Automobile
(faible durée de vie, peu de cycle,…)
Technologie tubulaire : PV
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 Batterie Ni/Mh
Nickel-Métal Hydride
Tension nominale d’un élément : 1,2 V
• ont été commercialisée vers 1990
• présentent une énergie volumique supérieure d'au moins 30% par rapport aux
accumulateurs NiCd (Cadmium-Nickel)
• sont en termes d'énergie massique par les accumulateurs Li-ion (Lithium-ion)
et Lithium-Polymère.
Depuis 1er juillet 2006 une directive Européenne interdit la
commercialisation dans le grand public d'éléments d'accus contenant du
Cadmium
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Les batteries solaires
 Au plomb/Acide technologie solaire
Tube, plaque
La décharge est
plus lente.
La capacité ne doit
pas excédée 65 %
Cyclage plus
important
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La batterie stationnaire
C'est une batterie à plaques tubulaires. Elle sert par exemple sur les chariots élévateurs, où
elle est déchargée chaque jour de 60 à 80% puis rechargée pendant la nuit : c'est
l'exemple type d'une utilisation en cyclage.
Cette batterie doit être chargée avec une tension relativement élevée, selon la durée
disponible. Cette tension élevée est surtout nécessaire pour éviter la stratification* de
l'électrolyte.
*Stratification: disposition en couches superposées.
L'acide sulfurique, qui se forme lors de la charge a en effet tendance à descendre au fond
de la batterie et l'électrolyte y deviendra beaucoup plus acide que dans le haut. Lorsque
la tension de gazage est atteinte, l'on poursuit la charge avec un courant et une tension
élevée. La formation de bulles de gaz ainsi obtenue met l'électrolyte en circulation et
rend le mélange homogène.
Ce procédé est d'autant plus indispensable que les batteries à plaques tubulaires sont
généralement très hautes.
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La batterie étanche (VRLA) AGM
AGM est l'abréviation anglaise de Absorbed Glas Mat (fibre de verre absorbante). Dans
cette batterie l'électrolyte est retenu (« absorbé ») dans un séparateur en fibre de verre
entre les plaques. Dans une batterie AGM les porteurs de charge - ions d'hydrogène et
de sulfate se déplacent plus facilement que dans des batteries au gel. C'est pourquoi
une batterie AGM est plus à même de délivrer des courants instantanés très élevés
qu'une batterie à électrolyte gélifié.
Les batteries étanches ont l'avantage d'un grand confort d'utilisation:
 Elles sont sans entretien
 Elles n'émettent pas de gaz dangereux
 Elles peuvent donc installer dans des endroits difficiles d'accès
Par contre, les batteries étanches sont plus sensibles aux surcharges, qui provoquent des
pertes d'eau. aucune remise à niveau n'étant possible, ces pertes entraînent des pertes
de performances irrémédiables et un vieillissement prématuré.
Des batteries ouvertes modernes à plaques planes et à faible teneur en antimoine (1,5%)
dégazent si peut qu'un complément d'eau 2 ou 3 fois par an sera suffisant.
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Entretien des batteries :
La durée de vie des batteries sera plus longue si :
 La charge est contrôlée et le nombre de cycle
connu
 La décharge est limitée par le régulateur
En cas de décharge importante et prolongée, le
sulfate de plomb cristallise. L'accumulateur est
alors définitivement endommagé, car cette
cristallisation est irréversible. On ne doit jamais
stocker une batterie déchargée.
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7- Transférer/réguler l’énergie :
le régulateur
Le régulateur a pour fonction de gérer la charge et la décharge de la batterie.
Il permet un transfert optimum d’énergie entre le générateur solaire et la batterie
tout en minimisant la profondeur de décharge et en protégeant la batterie de
surcharge, ce qui provoquerait un vieillissement prématuré.
Le régulateur possède un élément de commutation (relais, transistor bipolaire,
transistor mosfet, thyristor) qui est placé entre le panneau solaire et la batterie.
Il est commandé par une logique basée sur le contrôle de la tension de la
batterie. Ce régulateur peut facilement commuter des courants forts sans
dissipation interne d’énergie.
Le régulateur possède en général plusieurs caractéristiques techniques :
- Protection contre les inversions de polarités (panneau solaire ou batterie)
- Diode anti-retour intégré (évite le retour du courant vers le générateur)
- Fonction alarme tension en cas de tension des batteries trop basse
- Visualisation des états de charge par leds
- Protection contre la foudre, les court-circuits
- Afficheur permettant de savoir la tension de la batterie et les courants de charge et de
décharge
- Différentes formes et IP
Panneau solaire
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Batterie
Charge
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Régulateur série : schéma de
principe
Panneau
solaire
Régulateur
de charge/décharge
Onduleur

K1
K2
Up
Uo

Charge

~
Ub
Batterie
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58
Régulateur shunt : schéma de
principe
Voir la documentation
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Régulateurs
 Le fonctionnement des interrupteurs est électronique :
La Modulation de largeur d’impulsion (MLI ou PWM) permet la variation
du courant dans les cellules.
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8 - Transformer l’énergie
électrique : les onduleurs
L’onduleur est un convertisseur continu alternatif qui transforme le 12V ou 24V
continu en 230V alternatif.
En site isolé, l’onduleur permet d’alimenter des récepteurs fonctionnant en courant
alternatif. On peut utiliser des onduleurs ayant un signal de sortie alternatif quasi
sinusoïdal.
En site non isolé, on peut utiliser un onduleur pour renvoyer de l’énergie sur le réseau.
Dans ce cas, on utilise un onduleur sinusoïdal qui coût 4 à 5 fois plus cher qu’un
onduleur quasi sinusoïdal. La différence vient du fait que le signal est pur (forme
sinusoïdale) et donc pour arriver à ce niveau il a fallu mettre des filtres.
L’emploi de récepteurs basse consommation est primordial
9 - Dimensionner une installation
électrique autonome en site isolé
(sur batterie )
 Analyser ses besoins en électricité :
Le plus simple est de connaître sa consommation annuelle est de faire la
somme des kWh facturés sur une année par EDF.
Il est aussi possible de mesurer la consommation de chaque appareil, ce
qui permet de se rendre compte lesquels sont les plus gourmands en
énergie et ainsi gérer au mieux la production d’électricité.
consommation = puissance x durée
Équilibre journalier consommation moyenne /
production moyenne
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 La production annuelle d’électricité dépend de
plusieurs facteurs :
 l’ensoleillement annuel du site, qui peut être
évalué assez précisément.
 de l’orientation, sachant que le soleil a son point le
plus haut au Sud dans l’hémisphère Nord, c’est la
meilleure orientation pour les panneaux.
 de l’inclinaison, qui est choisie en fonction de la
hauteur du soleil pendant les mois les moins
ensoleillés pour une récupération optimale. En
pratique, l’inclinaison est obtenue en prenant la
latitude du lieu majoré de 10°.
 du rendement de l’onduleur (90%).
Calcul de la puissance installée
– Consommations journalières Ej : elle dépend de la puissance des appareils et
de leur durée d’utilisation. Elle est exprimée en Wh/j ou en kWh/j. C’est le
produit de la puissance par le temps.
Ej =
P x T
Ej : Consommations journalières (Wh/J ou kWh/j)
P : Puissance des équipements (W ou kW)
T : Temps de fonctionnement journalier (h/j)
- Dimensionnement solaire (panneau) : la puissance crête des panneaux dépend
des consommations, du gisement solaire et d’un coefficient de pertes au niveau
des panneaux. La puissance s’exprime en Wc.
Pc = Ej x 1000/ ( 0,6 x Ei )
Ej : Consommations journalières (Wh/j ou kWh/j)
Ei : Energie solaire (Wh/m2/j ou kWh/m2/j) du site
Pc : Puissance crête des panneaux solaires (Wc ou kWc)
0,6 : coefficient de pertes
Dimensionnement des batteries (capacité) : elle dépend des consommations
journalières, du nombre de jours d’autonomie, de la tension et du type e
batterie utilisé. Elle s’exprime en Ah.
C = ( Nj x Ej ) / ( Dp x V )
Ej : Consommations journalières (Wh/j ou kWh/j)
C : Capacité de la batterie (Ah)
V : Tension de la batterie (V)
Dp : Coefficient de décharge profonde
0,8 pour les batteries solaires
0,6 pour les batteries standard
0,5 pour les batteries de voitures
Nj : nombre de jours d’autonomie (j)
5 jours pour les sites ensoleillés (Afrique, DomTom)
7 à 10 jours pour les sites tempérés (Europe du Sud et France)
15 à 20 jours pour les sites plus défavorables (Europe du Nord)
 D’après un diaporama de Philippe Grenier et de la société
SERT
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